前沿进展 | 横向柱矢量光场与横向光子角动量

01 导读

近日，上海理工大学詹其文教授领衔的纳米光子学团队在横向光子角动量方向取得新进展，提出了一种在焦场构建横向柱矢量光场的方法，并证明了如何实现横向径向偏振光和横向角向偏振光。特别地，将两种横向柱矢量光场叠加，可生成携带光子横向自旋角动量和光子横向轨道角动量的新型光场，在奇点光学、光与物质相互作用以及光束操纵等领域具有独特的性质和潜在的应用价值。相关研究成果以“Transversely oriented cylindrically polarized optical fields”为题于2022年4月21日发表于Optics Express。2022 | 前沿进展

02 研究背景

柱矢量偏振光场具有对称的光强和偏振态分布，中心是光强为零的偏振奇点。相比于相位奇点，偏振奇点具有独特的矢量特性从而在非线性光学和奇点光学中具有重要应用。一般而言，柱矢量光束中心奇异线方向平行于传播方向。该团队研究了奇异线方向垂直传播方向的径向偏振光场和角向偏振光场。

03 研究创新点

横向柱矢量光场产生装置示意图如图1所示，通过在焦场x-z平面映射径向偏振光场和角向偏振光场得到目标光场，再利用天线辐射原理，将目标光场做为辐射源向两边发射，通过4pi共聚焦系统收集全空间辐射光场后进行反向聚焦，重构目标光场，成功在焦场的x-z面上得到了径向偏振光场和角向偏振光场。

图1 横向柱矢量光场产生装置示意图

图2所示为重建的横向径向偏振光场在x-z面和y-z面的总强度分布以及电场的x分量和z分量在x-z面的强度分布和相位分布。可以看到，总强度分布在x-z面为环形，偏振方向为径向。

图2 横向径向偏振光场的强度、偏振态分布和x，z分量的强度和相位分布以及其在y-z面的强度分布

图3所示为重建的横向角向偏振光场在x-z面和y-z面的总强度分布以及电场的x分量和z分量在x-z面的强度分布和相位分布。可以看到，总强度分布在x-z面为环形，偏振方向为角向。

图3 横向角向偏振光场的强度、偏振态分布和x，z分量的强度和相位分布以及其在y-z面的强度分布

由于径向偏振和角向偏振在整个x-z面上任意一点处偏振态均互相垂直，因此通过对两者相对相位的控制和光场的叠加，可在x-z面生成具有涡旋相位的横向圆偏振光场，实现了同时具有横向自旋角动量和横向轨道角动量的特殊光场，并且可对其自旋和轨道角动量的大小实现控制。图4为合成的具有不同角动量大小的横向圆偏振涡旋光场分布。

图4 具有不同角动量大小的横向圆偏振涡旋光场的强度、偏振、相位以及角动量密度的分布

04 总结与展望

该研究提供了一种产生携带可控光子横向角动量新型光场的方法，光子横向自旋角动量和光子横向轨道角动量在光子定向传播、光操控以及光通信领域都具有重要的潜在应用价值。
纳米光子学团队隶属于上海理工大学庄松林院士领导的未来光学国际实验室。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.455109

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